滑石电子瓷力学性能优化研究

贺亦文 夏 清 方豪杰 王雪倩 刘建平

(1 湖南省美程陶瓷科技有限公司 湖南 娄底 417600)(2 长沙理工大学材料科学与工程学院 长沙 410114)

前言

以滑石为主要原料的滑石瓷具有优良的绝缘性能，其介电常数低，介质损耗角正切值低，比体积电阻率高，并具有中等力学强度，是电子、信息、计算机、通讯等高技术领域的关键材料，在当前先进陶瓷材料研究领域中具有相当大的应用前景[1]。但滑石瓷的烧结范围比较窄，一般只有20 ℃左右，这就给瓷坯的烧结带来限制[2]，导致滑石瓷力学强度不够高而影响滑石瓷的产品质量。笔者以滑石电子瓷力学性能优化研究为目标，调整滑石、辅助料、助熔剂、增强剂的用量，进行多项研究试验，以期获得较优力学性能的滑石电子瓷。

1 试验部分

本研究以熟滑石、生滑石为主要原料，辅以钾长石、高岭土，配以少量的碳酸钡、氧化锌、氧化锆、硅酸锆、氧化铝作为烧结助剂，并使用聚乙烯醇作为成形粘结剂，设计了9组[3～4]滑石瓷试样的配方，同时将美程陶瓷科技公司生产的配方与之作以对比，制备滑石瓷试样，试样坯料配方如表1所示。

表1 滑石瓷试样坯料化学组成(质量%)Tab.1 Chemical composition of talc ceramic samples (wt%)

试验工艺过程包括：原料处理、配料、湿法球磨、干燥、实验室造粒；将制备好的造粒粉在企业进行干压成形(压制强度为60 MPa)及常压烧成、性能检测、显微结构分析。其中采用吸红实验来判断滑石瓷试样的烧结程度；用DPZ0X型密度计测定实验密度；用EP2003抗弯试验仪测试抗弯强度；用日本D/Max2200PCX射线衍射仪进行滑石瓷瓷相组成分析，用JEOL -JSM-6490LV型电子显微镜分析试样显微结构。首先将10个坯料配方的成形试样在常压下分别烧成1 276 ℃、1 296 ℃、1 324 ℃、1 344 ℃的4个温度，筛选出力学强度较高的配方。然后将筛选出的配方加上美程的配方M进行重复实验，在1 302 ℃，1 317 ℃，1 332 ℃、1 351 ℃的4个温度下烧成，对试样的力学性能及显微结构进行测定，以获得抗弯强度高且烧结性能好的滑石质瓷的配方。

2 结果及讨论

2.1 长石对滑石瓷烧结及性能的影响

试验分别测得各配方在相应温度下试样的抗弯强度(表中均以“σ”表示)、烧结情况如见表2。

由表2可知，配方中含K2O、Na2O，则滑石瓷试样在较低的烧成温度下烧结，而在较高的烧成温度下过烧，如D2，D1～D7等配方，配方中不含K2O、Na2O，则滑石瓷试样在较低的烧成温度下未烧结而在较高的烧成温度才烧结，如M、M’，等配方，并且各个配方试样烧结程度都随着烧成温度的升高而增强。同时，配方D1、M、M’，试样的最高抗弯强度出现在1 344 ℃烧成时，配方D2、D3试样的最高抗弯强度出现在1 324 ℃烧成时， D4试样的抗弯强度在以上4个烧成温度下都较低；配方D5、D6、D7试样的抗弯强度的高值均出现在1 276 ℃烧成时，而且D7试样在1 292 ℃、1 324 ℃烧成时抗弯强度较高，即D7配方1 276 ℃烧成的试样强度较高并在后续高些的温度下仍然强度稳定，所以D7配方烧结范围宽；D6配方抗弯强度较高、烧结范围也较宽，但1 292 ℃烧成试样的抗弯强度降低得较多。

表2 试样性能及烧结情况Tab.2 Performance and sintering of samples

选出抗弯强度较高的1 344 ℃的D1(154.7 MPa)、1 324 ℃的D6(136.9 MPa)、1 324 ℃的D3(151.5 MPa)、1 276 ℃的D7(154.9 MPa)、1 344 ℃的M(159.4 MPa)5个试样及强度较低的1 276 ℃时的D4、M试样进行XRD衍射分析，结果如图1所示。

图1 试样的XRD衍射图Fig.1 X-ray of samples

由图1可知，这些试样坯料的化学组成有些不同，但烧成后瓷相的主晶相均为MgSiO3，即斜顽火辉石，这可说明配方中由添加的碳酸钡、氧化锌、氧化锆、硅酸锆、氧化铝等引入的BaO、ZnO、ZrO2、AlO3等氧化物并未在滑石瓷中生成新的晶相。相比M配方，D系列配方均较大幅降低了滑石瓷的烧结温度(其中D6、D7配方烧结温度降低了50 ℃)。主要原因是D系列配方不同比例地添加了钾长石(引入K2O、Na2O)。钾长石在烧成过程中作为一种助熔剂可较多大幅度地降低烧成温度，使滑石瓷烧成过程中更早地产生液相，还拓宽了烧结温度范围；熔融状态的钾长石冷却后以玻璃体填充在瓷坯中的斜顽火辉石晶粒之间，促进坯体致密化，在一定程度上提高力学强度以及瓷坯的光泽度，钾长石对增加滑石瓷烧成范围的作用[5]也非常大，少量的钾长石加入能将烧成区间增加至50 ℃以上(如D6、D7配方)。

2.2 增强剂对滑石瓷性能及显微结构的影响

将抗弯强度较高的D1、D3、D6、D7及M配方再分别制备坯料、造粒、成形(所有工艺同第一轮试验)，在1 302 ℃、1 317 ℃、1 332 ℃、1 351 ℃温度下烧成，考虑到节能的需要，1 351 ℃温度下只烧成了M配方，分别测得各配方在相应温度下试样的抗弯强度、烧结情况(如表3所示)。

由表3可知，在1 302 ℃烧成时，D1、D3、D6、D7试样已全部烧结，但D1，D3试样强度不稳定，且最高强度也偏低，D6试样强度较为稳定，强度为106.57 MPa，D7试样强度稳定且高达136.70 MPa，力学性能较为优良，由D7试样的SEM图(见图2a)可见，1 302 ℃的试样晶粒结合紧密、均匀、尺寸为5～12 μm；1 317 ℃烧成时，D系列全部烧结，其中D1、D3、D6配方试样抗弯强度仍较低，D7试样抗弯强度虽稍有下降，但仍然较其他配方的高，1 317 ℃的D7试样之晶粒尺寸均匀性则有所下降，为2～12 μm、晶界棱角也不很明显(见图2b)；1 332 ℃温度下烧成，D7配方试样抗弯强度达到114.21 MPa，比D1、D3、D6配方试样的抗弯强度都高出较多，在1 332 ℃时D7试样晶粒的晶界棱角也更更加不明显、并伴有气孔出现(见图2c)，呈现过烧的状态。因而可以判断，1 302 ℃为D7的最佳烧成温度；而M配方试样在1 302 ℃烧成时只是部分烧结，在1 332 ℃才开始烧结(表2也可佐证此结果)，其抗弯强度达到117 MPa，1 351 ℃烧成时试样抗弯强度降低为107.21 MPa。由试样SEM图2d可见，晶粒尺寸为5～12 μm、大小较为均一，未见气孔、晶粒结合较为紧密，试样完全烧结。

表3 试样性能及烧结情况Tab.3 Performance and sintering of samples

a)1 302 ℃烧成的D7 b)1 317 ℃烧成的D7 c)1 332 ℃烧成的D7 d)1 351 ℃烧成的M图2 试样的SEMFig.2 SEM of samples

对于滑石瓷试样的力学强度而言，D7在D系列配方中优势明显，也超过M配方，抗弯强度达到10 MPa以上，在试验过程中控制工艺相同，因而影响试样抗弯强度的原因更多是试样的配方。比较D1、D3、D6、D7配方，D7配方含有一定量的碳酸钡，碳酸钡[6]在起到助熔作用的同时也有效地增加了滑石瓷的力学强度，所以D7强度高于D系列其他配方滑石瓷；与M配方相比，D7配方中添加了少量的工业氧化铝，少量氧化铝可增大液相的高温粘度[5～6]，使玻璃相强度有所提高，在高温下与白硅石发生反应生成硅线石可有效地提高瓷坯强度[7]；另一方面未参与反应的氧化铝均匀分散在瓷坯中起到弥散增韧的效果，也能在一定程度上增加瓷坯的力学强度，但不会增加瓷坯的烧成温度，这是D7抗弯强度高于M配方滑石瓷的原因；配方中也减少了生滑石的比例引入了少量的钾长石，一方面是由于生滑石会导致瓷坯的线收缩率增加，另一方面也能使钾长石高温下熔融后作为填充剂填充在晶粒中使坯体致密度增加，可能也对滑石电子瓷强度有部分影响。

3 结论

1)相比企业的M配方，D系列配方均较大幅降低了滑石电子瓷的烧结温度，其中D6、D7烧结温度降低50 ℃，D6、D7配方也大幅拓宽了滑石电子瓷的烧结温度范围，将烧结温度范围拓宽至50 ℃。

2)D7配方的最佳烧结为1 302 ℃，抗弯强度达到了133.7 MPa，比M配方的抗弯强度(1 332 ℃时117.49 MPa)提高了16%。

3)D7配方比M配方降低了滑石电子瓷的烧结温度，拓宽了烧结温度范围，可降低废品率、节约能源与成本，在抗弯强度上也有了较为明显的提升，但D7配方实验的其他性能是否符合电子瓷的要求还需要进一步的研究。